赵亚丽,于淑婷,穆心愿,冀保毅,郭海斌,薛志伟,李潮海*

(1.河南农业大学 农学院/河南粮食作物协同创新中心,河南 郑州 450002； 2.信阳农林学院,河南信阳 464000； 3.安阳市农业科学院,河南 安阳 455000； 4.驻马店市农业科学院,河南 驻马店 463000)

深耕加秸秆还田下施氮量对土壤碳氮比、玉米产量及氮效率的影响

赵亚丽1,于淑婷1,穆心愿1,冀保毅2,郭海斌3,薛志伟4,李潮海1*

(1.河南农业大学 农学院/河南粮食作物协同创新中心,河南 郑州 450002； 2.信阳农林学院,河南信阳 464000； 3.安阳市农业科学院,河南 安阳 455000； 4.驻马店市农业科学院,河南 驻马店 463000)

为明确深耕加秸秆还田条件下的适宜施氮量,研究了深耕加秸秆还田条件下不同施氮量[0、240、270、300(当地生产平均施氮水平)、330、360 kg/hm2N]对土壤碳氮比、玉米产量及氮效率的影响。结果表明,深耕加秸秆还田下增施氮肥可以提高玉米植株干物质和氮素积累量,增加土壤有机质和全氮含量,调节土壤碳氮比,进而提高玉米籽粒产量和氮效率。深耕加秸秆还田条件下,随着施氮量的增加,土壤有机质和全氮含量增加，碳氮比降低；玉米植株干物质积累量、氮素积累量、籽粒产量及氮素农学效率、氮素表观利用率均先增加后降低,以330 kg/hm2处理最高,其籽粒产量、氮素农学效率、氮素表观利用率比当地生产平均施氮水平300 kg/hm2处理分别显著提高9.3%、23.6%、46.7%,但其产量与360 kg/hm2处理差异不显著。表明，深耕加秸秆还田条件下,玉米需适当增加氮肥施用量,试验区玉米适宜氮肥用量以330 kg/hm2(较当地平均施氮水平高10%)为宜。

玉米； 深耕加秸秆还田； 施氮量； 产量； 土壤碳氮比； 氮效率

黄淮海地区是我国三大玉米主产区之一[1],但该区土壤存在耕层变浅、土壤紧实、耕层活土量少等问题,严重影响了该区玉米的稳产和高产[2]。同时,大量的作物秸秆被弃置或露天焚烧,不仅浪费资源,而且造成环境污染[3]。研究表明,深耕和秸秆还田可以有效降低土壤紧实度[4],改善土壤通透性[5],增加土壤团聚体稳定性[6]，降低土壤容重[7-8]，增加土壤酶活性[9-10],提高土壤肥力[11],进而促进作物根系生长发育[12-14]并提高作物产量[15-25]。因此,深耕结合秸秆还田已成为该区玉米生产中重要的增产技术措施[26]。但秸秆还田极易造成土壤碳氮比失调、秸秆分解与苗争氮的现象,对玉米生长和产量形成不利[27-28]。前人研究表明,秸秆还田下的作物产量与施氮量呈二次抛物线关系,随着施氮量的增加,作物产量逐渐增加,但超过一定施氮量时,产量反而下降[27,29-30]。秸秆还田配施适量氮肥可以有效提高作物的氮效率[28,31]。但前人主要围绕秸秆还田条件下的最佳施氮量进行研究,有关深耕加秸秆还田条件下适宜施氮量的研究尚未见报道。为此，研究深耕加秸秆还田条件下施氮量对土壤碳氮比、玉米产量及氮效率的影响,以期为深耕加秸秆还田条件下氮肥的优化管理和玉米高产栽培提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2012年在河南省温县赵堡试验站(34°57′N、113°09′E)进行。该地区位于豫北平原西部,属暖温带大陆性季风气候,无霜期210 d,多年平均气温14.3 ℃,日照时间2 300 h,降水量552.4 mm。试验地土壤为粉质黏壤土(砂粒∶粉粒∶黏粒=17∶64∶19),0～20 cm土壤主要理化性状为：土壤容重1.31 g/cm3，有机质含量9.17 g/kg、全氮含量1.042 g/kg、速效氮含量86.50 g/kg、速效磷含量27.59 mg/kg、速效钾含量115.24 mg/kg。

1.2 试验设计

试验设置6个施氮量处理，即施纯氮 0(N0)、240(N240)、270(N270)、300(N300,当地生产平均施氮水平)、330(N330)、360(N360)kg/hm2。氮肥(尿素,N含量46%)按4∶6分别在玉米拔节期和大喇叭口期施入。磷(过磷酸钙,P2O5含量12%)、钾(硫酸钾,K2O含量59%)肥全部在玉米播前做基肥一次性施入,P2O5和K2O用量均为150 kg/hm2。小麦成熟收获后,小麦秸秆粉碎后覆盖地表还田,玉米铁茬播种。玉米成熟收获后,先将玉米秸秆粉碎至5 cm左右的小段,采用铧式犁深翻耕1遍,作业深度为30 cm,将秸秆全量翻埋还田,随后耙地2遍。各处理的秸秆还田量相同,小麦秸秆还田量为6 800 kg/hm2,玉米秸秆还田量为9 300 kg/hm2。大区试验设计,小区面积为4.8 m×50 m。供试玉米品种为郑单958,种植密度67 500株/hm2,株距25 cm,行距60 cm。适时灌水。所有小区的田间管理同一般大田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 植株干质量和氮含量 玉米成熟期,每个处理选取3个点,每个点选取长势均匀一致的3个植株样品。分茎、叶、穗3部分,105 ℃杀青30 min,然后80 ℃烘至恒质量,测定植株干质量。烘干样品粉碎后过筛,采用凯氏定氮法测定氮含量[32]。

1.3.2 土壤有机质和全氮含量 玉米成熟期,每个处理选取3点,测定0～30 cm土层有机质含量和全氮含量。其中，土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化法测定,全氮含量采用凯氏定氮法测定[32]。

1.3.3 产量 玉米成熟后,每个处理选取3点,每点收获2 m双行果穗,脱粒,烘干,称质量。籽粒产量以14%含水量计算。

1.3.4 氮效率 氮效率可用氮素农学效率(N agronomic efficiency,NAE)、氮素表观利用率(N apparent utilization efficiency,NAUE)和氮收获指数(N harvest index,NHI)等指标表示[33-34],各指标计算公式为：NAE=(施氮处理籽粒产量-不施氮处理籽粒产量)/施氮量，NAUE= (施氮处理地上部分吸氮量-不施氮处理地上部分吸氮量)/施氮量×100%，NHI=(施氮处理籽粒吸氮量-不施氮处理籽粒吸氮量)/(施氮处理地上部分吸氮量-不施氮处理地上部分吸氮量)×100%。

1.4 数据统计分析

利用Excel 2003进行数据处理,利用SPSS 16.0对试验数据进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 深耕加秸秆还田下施氮量对植株干物质和氮素积累量的影响

2.1.1 干物质积累量 由图1可知，深耕加秸秆还田下配施氮肥可以提高玉米植株干物质积累量,施氮处理的植株干物质积累量比不施氮处理平均显著提高27.1%。深耕加秸秆还田条件下,玉米植株干物质积累量随着施氮量的增加先增加后降低,以N330处理最高,比当地生产平均施氮水平N300处理显著提高10.9%,但与N360处理差异不显著。

不同字母代表处理之间差异显著(P<0.05),下图同

2.1.2 氮素积累量 由图2可知，深耕加秸秆还田下配施氮肥可以提高玉米植株氮素积累量,施氮处理的植株氮素积累量比不施氮处理平均显著提高26.8%。深耕加秸秆还田条件下, 玉米植株氮素积累量随着施氮量的增加先增加后趋于平稳，以N330处理最高,比当地生产平均施氮水平N300处理显著提高9.9%,但与N360处理差异不显著。

图2 深耕加秸秆还田下施氮量对玉米植株氮素积累量的影响

2.2 深耕加秸秆还田下施氮量对土壤碳氮比的影响

由表1可知，深耕加秸秆还田下增施氮肥可以增加土壤有机质和全氮含量,施氮处理0～30 cm土层有机质和全氮含量分别比不施氮处理平均显著增加20.3%和55.0%。深耕加秸秆还田条件下,0～30 cm土层有机质和全氮含量均随着施氮量的增加而增加,以N360处理最高,但与N330处理差异不显著。此外,深耕加秸秆还田下配施氮肥还可以调节土壤碳氮比,且土壤碳氮比随着施氮量的增加而降低,以N360处理最低,比当地生产平均施氮水平N300处理显著降低6.9%,但与N330处理差异不显著。表明，深耕加秸秆还田下增加氮肥用量可以有效地调节土壤碳氮比。

表1 深耕加秸秆还田下施氮量对0～30 cm土层土壤碳氮比的影响

注：同列不同字母代表处理之间差异显著(P<0.05),下表同。

2.3 深耕加秸秆还田下施氮量对玉米籽粒产量的影响

由图3可知，深耕加秸秆还田下配施氮肥可以提高玉米籽粒产量,施氮处理产量比不施氮处理平均显著提高35.9%。深耕加秸秆还田条件下,玉米籽粒产量随着施氮量的增加先增加后降低,以N330处理最高,比当地生产平均施氮水平N300处理显著提高9.3%,但与N360处理差异不显著。综上，深耕加秸秆还田后,氮肥施用量以330 kg/hm2为宜。

图3 深耕加秸秆还田下施氮量对玉米籽粒产量的影响

2.4 深耕加秸秆还田下施氮量对氮效率的影响

由表2可知，深耕加秸秆还田下配施氮肥可以提高玉米氮素农学效率和氮素表观利用率,且二者随着施氮量的增加先增加后降低,均以N330处理最高,分别比当地生产平均施氮水平N300处理显著提高23.6%和46.7%。但是,N330处理的氮收获指数最低,比当地生产平均施氮水平N300处理低4.0%,但差异不显著。

表2 深耕加秸秆还田下施氮量对氮效率的影响

3 结论与讨论

深耕结合秸秆还田是黄淮海地区玉米生产中的一项重要增产技术措施,不仅可以有效降低土壤紧实度[4],改善土壤通透性[5],还可以增加土壤生物活性[9],提高土壤肥力[11],进而提高作物产量[15-16]。本研究结果表明,深耕加秸秆还田条件下,玉米产量随着施氮量的增加先增加后降低 ,以N330处理最高。这与前人在秸秆还田条件下的研究结果相似,秸秆还田下的作物产量与施氮量呈二次抛物线关系[27,29-30]。

本研究结果还表明,深耕加秸秆还田下配施氮肥不仅可以提高玉米植株干物质积累量,还增加了土壤中的有机质和全氮含量,促进了植株对氮素的吸收,提高了氮效率,这与前人研究结果一致[28,31]。这可能是因为：深耕加秸秆还田可以改善土壤特性,调节农田小气候,提高土壤的供氮能力和供氮潜力,促进玉米的生长发育和根系对氮素的吸收；深耕加秸秆还田配施氮肥可以激发土壤氮素的矿化,增加土壤碱解氮含量,提高土壤氮库的累积和活性成分含量,改善土壤的供氮能力,有利于玉米对氮素的吸收利用；深耕加秸秆还田配施氮肥可以降低和缓解土壤中氮素的硝化作用,减少氮素损失[28]。

土壤碳氮比是表征土壤质量变化的重要指标,对作物生长发育具有重要影响[35]。 如果土壤碳氮比较低,则有利于微生物在有机质分解过程中的养分释放,促进土壤中有效氮的增加；反之,碳氮比较高,微生物在分解有机质的过程中存在氮受限,从而与作物产生对土壤无机氮的竞争,不利于作物的生长[35]。而作物秸秆本身的碳氮比一般都比较高,为 8.0左右,秸秆的腐解需要充足的氮源,如果秸秆还田后配施常规氮肥用量极易造成土壤碳氮比失调、秸秆分解与苗争氮的现象,对作物生长和产量形成不利[27-28]。因此,秸秆还田下需要增施一定量的氮肥。而深耕结合秸秆还田措施对土壤生态环境的调控效应和对作物生长发育的促进效应大于单独秸秆还田措施[36],故深耕加秸秆还田下与秸秆还田下的适宜氮肥用量有所差异。本研究结果表明,深耕加秸秆还田条件下,玉米需适当增加氮肥施用量,试验区玉米氮肥用量以高于当地生产平均施氮水平的10%即330 kg/hm2为宜。

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Effects of Nitrogen Application Rate on Soil C/N,Maize Yield and Nitrogen Efficiency under Condition of Deep Tillage and Straw Returning

ZHAO Yali1,YU Shuting1,MU Xinyuan1,JI Baoyi2,GUO Haibin3,XUE Zhiwei4,LI Chaohai1*

(1.Agronomy College,Henan Agricultural University/Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops, Zhengzhou 450002,China; 2.Xinyang Agriculture and Forestry University,Xinyang 464000,China; 3.Anyang Academy of Agricultural Sciences,Anyang 455000,China; 4.Zhumadian Academy of Agricultural Sciences,Zhumadian 463000,China)

In order to define the optimum application rate of nitrogen fertilizer,the effects of different nitrogen application rate(0，240，270，300，330，360 kg/ha)on soil C/N,maize yield,nitrogen efficiency under the condition of deep tillage and straw returning were investigated.The results showed that,the increase of the application rate of nitrogen fertilizer increased the accumulation amount of dry matter and nitrogen of maize,improved the contents of soil organic matter and total nitrogen,regulated the soil C/N,thus increased the maize grain yield and nitrogen efficiency.Under the condition of deep tillage and straw returning,with the increase of application rate of nitrogen,the contents of soil organic matter and total nitrogen increased,while soil C/N decreased;dry matter accumulation amount,nitrogen accumulation amount,grain yield of maize,nitrogen agronomic efficiency and nitrogen apparent utilization efficiency increased first and then decreased,the treatment with N 330 kg/ha reached the highest values,which grain yield,nitrogen agronomic efficiency and nitrogen apparent utilization efficiency increased by 9.3%,23.6% and 46.7% compared with the treatment with the local average nitrogen application rate 300 kg/ha,respectively.However,there was no significant difference in grain yield between the treatment the treatment with N 330 kg/ha and the treatment with N 360 kg/ha.In conclusion,the application rate of nitrogen fertilizer need to be added appropriately under the condition of deep tillage and straw returning,and N 330 kg/ha(10% higher than the local average nitrogen application rate)was an optimum application rate of nitrogen for maize in the experimental area.

maize; meep tillage and straw returning; nitrogen application rate; yield; soil C/N; nitrogen efficiency

2016-04-10

农业部现代玉米产业技术体系项目(CARS-02-19)；公益性行业(农业)科研专项(201203100)

赵亚丽(1980-)，女，河南许昌人，副教授，博士，主要从事玉米生理生态研究。E-mail:zhaoyali2006@126.com

*通讯作者：李潮海(1956-)，男，河南巩义人，教授，博士，主要从事玉米生理生态研究。E-mail:lichaohai2005@163.com

S513;S143.1

A

1004-3268(2016)10-0050-05